Công nghệ hạt nhân mới khiến thế giới sửng sốt: Tàu chở hàng Trung Quốc chạy bằng thorium

Khái niệm tàu container chạy bằng năng lượng hạt nhân lần đầu tiên được Nhà máy đóng tàu Giang Nam tiết lộ vào năm 2023. Hiện tại, các chi tiết kỹ thuật quan trọng đã được tiết lộ. Ảnh: SCMP.

Trung Quốc vừa công bố những chi tiết quan trọng về một con tàu chở hàng cách mạng đang được phát triển – tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân có thể mang theo 14.000 container tiêu chuẩn.

Điều khiến con tàu này thực sự mang tính đột phá là nó được vận hành bằng lò phản ứng muối nóng chảy sử dụng thorium (TMSR) với công suất nhiệt 200 megawatt – tương đương với lò phản ứng nước áp lực S6W được trang bị trên tàu ngầm tấn công hạt nhân Seawolf tối tân nhất của Hải quân Mỹ.

Khác với các lò phản ứng hạt nhân truyền thống phụ thuộc vào uranium và cần hệ thống làm mát nước khổng lồ cùng lớp vỏ chịu áp suất cao, thiết kế mới của Trung Quốc sử dụng thorium – một loại nhiên liệu hạt nhân an toàn hơn, dồi dào hơn và ít nguy cơ phổ biến vũ khí hơn.

Đặc biệt, lò phản ứng này không cần nước để làm mát, giúp nó nhỏ gọn hơn, yên tĩnh hơn và an toàn hơn so với các thiết kế truyền thống. Nếu công nghệ này được triển khai ở quy mô thương mại, nó có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành hàng hải toàn cầu.

Dù khái niệm con tàu được tiết lộ lần đầu vào năm 2023, nhưng khi đó rất ít thông tin kỹ thuật được công bố.

Trong bài viết đăng ngày 15/10 trên tạp chí chuyên ngành Ship & Boat (Trung Quốc), ông Hu Keyi – kỹ sư cao cấp của Tập đoàn Đóng tàu Giang Nam (Jiangnan Shipbuilding Group) – đã tiết lộ thông số kỹ thuật quan trọng và giải thích lý do Trung Quốc chọn lò phản ứng muối nóng chảy dùng thorium cho tàu biển.

Bản thiết kế tàu chở hàng chạy bằng năng lượng hạt nhân thorium, có thể chở 14.000 container. Ảnh: SCMP.

Theo ông Hu, 200 MW nhiệt lượng sinh ra từ lò phản ứng không được dùng trực tiếp để vận hành chân vịt, mà chuyển sang hệ thống phát điện CO₂ siêu tới hạn (sCO₂) theo chu trình Brayton – một quy trình nhiệt động học hiệu suất cao, chuyển đổi nhiệt thành điện hiệu quả hơn nhiều so với tua-bin hơi nước truyền thống.

Chu trình Brayton sử dụng khí nén – trong trường hợp này là carbon dioxide – được làm nóng đến nhiệt độ cực cao, sau đó giãn nở qua tua-bin để tạo ra điện năng. CO₂ siêu tới hạn vừa có tính chất của chất lỏng vừa của khí, giúp hệ thống trở nên nhỏ gọn và hiệu suất vượt trội.

Nhờ vậy, hệ thống có thể phát ra 50 MW điện, đủ để đưa con tàu khổng lồ vượt đại dương trong nhiều năm mà không cần tiếp nhiên liệu. Trong trường hợp khẩn cấp, tàu còn được trang bị máy phát điện diesel dự phòng công suất 10 MW.

Một trong những lo ngại lớn nhất về tàu hạt nhân là nguy cơ tan chảy lõi hoặc rò rỉ phóng xạ. Tuy nhiên, ông Hu nhấn mạnh rằng lò phản ứng muối nóng chảy dùng thorium có độ an toàn nội tại rất cao.

Lò phản ứng hoạt động ở áp suất khí quyển, nên không có nguy cơ tăng áp gây nổ. Lõi lò vận hành ở khoảng 700°C (1.292°F), nhưng nhờ hệ số nhiệt âm mạnh, phản ứng tự động chậm lại khi nhiệt độ tăng, ngăn chặn khả năng phản ứng mất kiểm soát.

Hệ thống có hai cơ chế tản nhiệt thụ động: Hệ thống làm mát tuần hoàn tự nhiên bên trong khoang lò phản ứng. Hệ thống thoát muối nóng chảy khẩn cấp, có thể xả nhiên liệu an toàn vào các bể làm mát thụ động được che chắn.

Trong tình huống xấu nhất, nếu hệ thống làm mát ngừng hoạt động, nhiên liệu muối nóng chảy sẽ tự chảy xuống buồng an toàn và đông đặc lại, giữ chặt chất phóng xạ, ngăn ô nhiễm lan rộng.

Toàn bộ lò phản ứng được thiết kế dưới dạng mô-đun kín, có tuổi thọ vận hành 10 năm. Hết thời hạn, toàn bộ mô-đun sẽ được thay mới thay vì nạp lại nhiên liệu, giúp giảm đáng kể nguy cơ rò rỉ hoặc lỗi vận hành do con người.

Nhờ nhiệt độ vận hành cao và chu trình sCO₂ tiên tiến, hiệu suất chuyển đổi nhiệt–điện đạt 45–50%, vượt xa mức 33% của các lò phản ứng hạt nhân truyền thống sử dụng hơi nước, ông Hu cho biết.

Ngoài ra, Trung Quốc cũng đang nghiên cứu các thiết kế tàu hạt nhân khác, bao gồm: Tàu chở dầu Suezmax dùng lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì–bismuth, nhà máy điện hạt nhân nổi dùng lò phản ứng khí nhiệt độ cao.

Tuy nhiên, các thiết kế này có công suất thấp hơn so với lò phản ứng muối nóng chảy dùng thorium của tàu container.

Tàu Pisces của COSCO Shipping là một trong những tàu container lớn nhất thế giới, có sức chứa 20.000 TEU. Ảnh: Xinhua.

Thorium không chỉ an toàn hơn, mà còn phong phú hơn uranium rất nhiều. Trung Quốc sở hữu trữ lượng thorium khổng lồ, đặc biệt là ở Khu tự trị Nội Mông, nơi chất thải của một mỏ duy nhất cũng chứa đủ thorium để cung cấp năng lượng cho cả đất nước trong hơn 1.000 năm theo mức tiêu thụ hiện tại.

Mỹ từng xây dựng lò phản ứng thorium đầu tiên vào thập niên 1960 tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (Tennessee), nhưng chương trình bị hủy bỏ do các vấn đề kỹ thuật, như sự ăn mòn của muối fluoride nóng chảy với đường ống.

Ngược lại, Trung Quốc kiên trì theo đuổi công nghệ này. Năm 2025, nước này đạt bước ngoặt lịch sử: lò phản ứng thorium muối nóng chảy thử nghiệm ở sa mạc Gobi trở thành lò phản ứng đầu tiên trên thế giới vận hành ổn định lâu dài. Hiện một phiên bản lớn hơn để phát điện thương mại đang được xây dựng.

Dù đầy hứa hẹn, thách thức vẫn còn vô cùng lớn. Theo ông Hu, chi phí đầu tư cho tàu thương mại chạy bằng năng lượng hạt nhân dự kiến sẽ cao hơn nhiều so với tàu thông thường.

Những rào cản tài chính và vận hành chính bao gồm: Chi phí xây dựng ban đầu rất lớn, khó huy động vốn tư nhân do rủi ro cao, thiếu bảo hiểm cho sự cố hạt nhân trên biển, chi phí bảo trì, xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng, tháo dỡ lò và huấn luyện đội ngũ chuyên biệt.

Dù giá nhiên liệu hạt nhân ổn định và rẻ, ông Hu cho rằng hiệu quả kinh tế phụ thuộc vào việc liệu tiết kiệm nhiên liệu dài hạn có đủ bù đắp chi phí khổng lồ ban đầu và độ phức tạp vận hành hay không.

“Các dự án tàu hạt nhân thương mại có thể cần sự bảo trợ hoặc bảo đảm từ chính phủ”, ông viết. “Doanh nghiệp tư nhân đơn lẻ không thể gánh rủi ro xây dựng và vận hành khổng lồ như vậy”.

Theo SCMP

Huyền Chi